淺談城市直埋供熱管道固定墩推力計算方法

曹原

(日照市政務(wù)服務(wù)中心，山東 日照 276800)

固定墩是城市直埋供熱管道中主要的受力體，其作用是將管道分為若干補償段，各段獨立進行熱補償，保證管道的安全正常運行。供熱管道在正常運行時，固定墩水平主要承受熱膨脹力、泊松拉應(yīng)力、摩擦力、盲板力、補償器的位移阻力、土壓力等。傳統(tǒng)的固定墩推力合成計算是按照固定墩靜止不動，位移為零，作用在固定墩上的土壓力是靜止土壓力，此時，土體和固定墩都處于彈性平衡狀態(tài)。此種受力分析中，固定墩的水平推力完全由固定墩與土壤之前的摩擦力相平衡，現(xiàn)實設(shè)計中，固定墩的尺寸要求大，而且不經(jīng)濟。設(shè)計中過多地利用固定墩所受摩擦力與水平推力平衡，在達到最大土壤摩擦反力后，固定墩發(fā)生的位移量過大，超過了管道的最大允許變形量，就會造成管道的破壞。而實際運行過程中，固定墩埋置在地下時，在主動土壓力和被動土壓力及溫度效應(yīng)作用下會發(fā)生微量位移。為了既滿足安全正常運行又使得固定墩的尺寸最小，本文建立了固定墩的受力模型，充分考慮了在各種荷載作用下，固定墩發(fā)生微量的位移效應(yīng)，較傳統(tǒng)固定墩靜止受力分析，本受力模型更加接近固定墩實際受力狀態(tài)。

1 固定墩受力分析

1.1 固定墩受力模型

當(dāng)管道兩段都設(shè)置有補償裝置時，管段能自由伸縮，直管段不需要再加設(shè)固定墩。當(dāng)管段一端為普通補償器，另一端為補償彎管時，此種管道結(jié)構(gòu)形式在設(shè)計中應(yīng)用較多，需要設(shè)置固定墩。根據(jù)工程實際情況，選取管道公稱直徑為DN1000，L1長度為600m，L2長度為590m 設(shè)計供回水溫度為130℃/70℃，設(shè)計壓力為1.6MPa，受力模型如圖1 所示。

1.2 固定墩受力分析

固定墩寬、厚、高分別為b、d、h，固定墩墩頂覆土高度為h1，在供熱管道運行過程中，隨著管內(nèi)水溫的升高，固定墩在管道熱膨脹力作用下，產(chǎn)生微量軸向位移，管道運行時，固定墩受力如圖2 所示。

直埋供熱管道的軸向力有主動軸向力和被動軸向力，主動軸向力包括熱膨脹力和泊松力，被動軸向力有土壤摩擦力、補償器位移阻力、主動土壓力和被動土壓力。固定墩在管道運行過程中受力俯視圖如圖3 所示。

圖2 固定墩受力分析

圖3 固定墩受力俯視圖

1.3 A1A1 面管道施加給固定墩的受力P1

土壤會給直埋供熱管道摩擦作用，本文研究的是大口徑直埋供熱管道，所以管道重力，水重力不能忽略。單位管長的最小摩擦阻力為：

經(jīng)計算最小摩擦力為29.83kN/m。

為計算固定墩處于錨固段還是過渡段，需要計算過渡段最大長度：

經(jīng)計算Lmax=586m，可知L1＞L2＞Lmax。因此，固定墩處于錨固段，管道熱伸長完全受阻，熱膨脹力完全轉(zhuǎn)化為管道內(nèi)力。此時，是管道中內(nèi)力、軸向應(yīng)力最大的直線管段，是直管段強度驗算的重點。A1A1面管道施加給固定墩的軸向力P1=Na1=[αE(t1-t0)-νσt]A×106=17483kN （3）

1.4 A2A2 面管道施加給固定墩的受力P2

L2段處的固定墩處于完全錨固段，其受到的主動力包括熱膨脹力和泊松力，因此，段的熱膨脹被完全壓縮。此時，直埋供熱管道的軸向內(nèi)力等于主動力減去內(nèi)壓不平衡力。L2段處的固定墩處于錨固段，合成推力時，此側(cè)推力乘以0.9的安全系數(shù)。

1.5 主動土壓力Pa 和被動土壓力Pp

在施工時，雖然要對固定墩的土壤夯實，但是，土壤也不是理想的剛性體，所以在熱力管道實際運行時，固定墩存在實際微量位移。在熱力管道的運行過程中，隨著溫度的升高，在熱膨脹力的作用下，固定墩隨著供熱管道同步離開填土移動，此時，固定墩墻后填土作用力為主動力要大于主動土壓力；固定墩向填土擠壓，固定墩墻前填土為被動作用力要小于被動土壓力，因此，作用在固定墩墻前和墻后兩側(cè)的土壓力同時存在，其大小為主動土壓力和被動土壓力之間的數(shù)值，具體作用力的大小與固定墩發(fā)生的微量位移量、固定墩的剛度、固定墩的高度、填土性質(zhì)等有關(guān)。根據(jù)文獻[5],考慮位移效應(yīng)的主（被）動土壓力計算表達式統(tǒng)一為

傳統(tǒng)的微量位移范圍的最小值是30mm，一般認為達到主動土壓力時的位移量Sa為（0.003 ～0.005）H，而被動土壓力的位移量Sp為（0.02 ～0.05）H，H 為擋土墻的高度。本文以達到主動土壓力時位移量的最小值和微量位移最小值中取最小者，利用上式經(jīng)計算取為9.6mm。經(jīng)計算主動土壓力Pa=362.54kN，被動土壓力Pp=1114.15kN。

1.6 固定墩與土壤的摩擦力Ff

當(dāng)供熱管道受熱膨脹時，固定墩會隨受力與土壤發(fā)生相對位移，土壤會給固定墩摩擦力作用，產(chǎn)生土壤軸向摩擦力。摩擦力由三部分組成：固定墩底面與土壤的摩擦力，固定墩側(cè)面與土壤的摩擦力，固定墩頂面與土壤的摩擦力，其計算公式為：

1.7 固定墩推力計算HT

固定墩的推力計算分兩種情況：固定墩不發(fā)生位移和固定墩發(fā)生允許微量位移。

（1）固定墩不發(fā)生位移，其水平推力：

（2）固定墩發(fā)生允許微量位移umax=9.6mm，其水平推力：

2 結(jié)語

本文基于固定墩發(fā)生微量位移的實際情況，在充分考慮主動軸向力、固定墩與土壤的摩擦力、管道和水的重力、主動土壓力和被動土壓力等受力的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了固定墩水平推力的計算公式。以實際工程計算可知，與固定墩不發(fā)生位移情況比較，合理控制固定墩的微量位移可以大大減少固定墩的水平推力，而且更符合固定墩的實際受力狀態(tài)，進而節(jié)約工程成本，達到最佳安全性和經(jīng)濟合理性。建議在實際工程設(shè)計中，按允許固定墩發(fā)生允許微量位移進行受力分析。